Воздушные и водные массы

13

Воздушные и водные массы

1. Воздушные массы

1.1 Трансформация воздушных масс

Влияние поверхности, над которой проходят воздушные массы, сказывается на их нижних слоях. Это влияние может вызвать изменения в содержании влаги в воздухе вследствие испарения или выпадения осадков, а также изменение температуры воздушной массы в результате высвобождения скрытой теплоты или теплообмена с поверхностью.

Табл. 1. Классификация воздушных масс и их свойства в зависимости от очага формирования

Трансформации, связанные с движением воздушных масс, называются динамическими. Скорости движения воздуха на разных высотах почти наверняка будут различаться, поэтому воздушная масса движется не как единое целое, и наличие сдвига скоростей вызывает турбулентное перемешивание. Если нижние слои воздушной массы нагреваются, то возникает неустойчивость и развивается конвективное перемешивание. Другие динамические изменения связаны с крупномасштабным вертикальным движением воздуха.

Трансформации, происходящие с воздушной массой, можно обозначить, прибавляя к ее основному обозначению еще одну букву. Если нижние слои воздушной массы теплее, чем поверхность, над которой она проходит, то добавляется буква "Т", если они холоднее - добавляется буква "X". Следовательно, при охлаждении устойчивость теплой морской полярной воздушной массы увеличивается, в то время как нагрев холодной морской полярной воздушной массы вызывает ее неустойчивость.

1.2 Воздушные массы и их влияние на погоду на британских островах

Погодные условия в каком-либо месте на Земле можно рассматривать как результат действия определенной воздушной массы и как следствие происшедших с ней изменений. Великобритания, расположенная в средних широтах, испытывает на себе влияние большинства типов воздушных масс. Она, таким образом, является хорошим примером для изучения погодных условий, обусловленных трансформацией воздушных масс вблизи поверхности. Динамические изменения, вызванные в основном вертикальными движениями воздуха, также очень важны при определении погодных условий, и в каждом конкретном случае ими пренебрегать нельзя.

Морской полярный воздух (МПВ), достигающий Британских островов, обычно относится к типу ХМПВ, поэтому эта воздушная масса неустойчива. При прохождении над океаном в результате испарения с его поверхности она сохраняет высокую относительную влажность, и вследствие этого - в особенности над теплой поверхностью Земли в полдень с приходом этой воздушной массы будут возникать кучевые и кучево-дождевые облака, температура опустится ниже средней, и летом будут выпадать ливни, а зимой осадки часто могут выпадать в виде снега или крупы. Порывистые ветры и конвективные движения в воздухе разгонят пыль и дым, так что видимость будет хорошей.

Если морской полярный воздух (МПВ) из очага своего формирования пройдет южнее, а затем направится в сторону Британских островов с юго-запада, он вполне может стать теплым, то есть типа ТМПВ; иногда его называют "возвратным морским полярным воздухом". Он приносит нормальные температуры и погоду, среднюю между погодой, которая устанавливается с приходом воздушных масс ХМПВ и МТВ.

Морской тропический воздух (МТВ) обычно относится к типу ТМТВ, поэтому он устойчив. Достигнув после пересечения океана Британских островов и охладившись, он насыщается (или становится близким к насыщению) водяным паром. Эта воздушная масса приносит с собой мягкую погоду, небо становится пасмурным и видимость плохой, на западе Британских островов нередки туманы. При подъеме над орографическими барьерами формируются слоистые облака; при этом обычны моросящие дожди, переходящие в более сильные, а на восточной стороне горных хребтов идут сплошные дожди.

Континентальная тропическая воздушная масса в очаге своего формирования неустойчива, и, хотя ее нижние слои, когда она достигает Британских островов, становятся устойчивыми, верхние слои продолжают сохранять неустойчивое состояние, что может вызвать в летнее время грозы. Однако в зимний период нижние слои воздушной массы очень устойчивы, и любые облака, которые там образуются, относятся к типу слоистых. Обычно приход такой воздушной массы вызывает повышение температуры намного выше средней, и образуется туман.

С приходом континентального полярного воздуха зимой на Британских островах устанавливается очень холодная погода. В очаге формирования эта масса устойчива, но затем в нижних слоях она может стать неустойчивой и при прохождении над Северным морем в значительной мере "насытится" водяными парами. Облака, которые при этом возникнут, относятся к типу кучевых, хотя могут образоваться и слоисто-кучевые. В зимний период в восточной части Великобритании могут выпадать сильные дожди со снегом или же снегопады.

Арктический воздух (АВ) может быть континентальным (КАВ) или морским (МАВ) в зависимости от того пути, который он проделал от очага формирования до Британских островов. КАВ на своем пути к Британским островам проходит над Скандинавией. Он аналогичен континентальному полярному воздуху, хотя и более холодный и поэтому в зимний и весенний периоды часто приносит с собой снегопады. Морской арктический воздух проходит над Гренландией и Норвежским морем; его можно сравнить с холодным морским полярным воздухом, хотя он холоднее и более неустойчив. Зимой и весной для арктического воздуха характерны сильные снегопады, продолжительные морозы и исключительно хорошие условия видимости.

2. Водные массы и t-s диаграмма

При определении водных масс океанографы используют понятие, сходное с тем, которое применяется к воздушным массам. Водные массы различают преимущественно по температуре и солености. Также полагают, что водные массы формируются в определенном районе, где они находятся в поверхностном перемешанном слое и где на них оказывают воздействие постоянные атмосферные условия. Если в течение длительного периода времени вода остается в стационарном состоянии, ее соленость будет определяться рядом факторов: испарением и выпадением осадков, поступлением пресной воды с речным стоком в прибрежных районах, таянием и образованием льдов в высоких широтах и т.д. Точно так же ее температура будет определяться радиационным балансом водной поверхности, а также обменом тепла с атмосферой. Если соленость воды будет уменьшаться, а температура повышаться, плотность воды понизится и водная толща станет устойчивой. В этих условиях может сформироваться только поверхностная водная масса небольшой толщины. Если, однако, соленость будет возрастать, а температура понижаться, вода станет более плотной, начнет погружаться, и может сформироваться водная масса, достигающая значительной мощности по вертикали.

Чтобы различать водные массы, данные о температуре и солености, полученные на разных глубинах в некотором районе океана, наносят на диаграмму, у которой по оси ординат откладывается температура, а по оси абсцисс - соленость. Все точки соединяются друг с другом линией в порядке возрастания глубин. Если водная масса совершенно однородна, она будет представлена одной-единственной точкой на такой диаграмме. Именно этот признак служит критерием для выделения типа вод. Скопление точек наблюдений вблизи такой точки покажет присутствие вод определенного типа. Но температура и соленость водной массы с глубиной обычно меняются, и водная масса характеризуется на T-S диаграмме определенной кривой. Эти вариации могут быть обусловлены небольшими колебаниями свойств воды, образованной в различное время года и опустившейся на разные глубины в соответствии с ее плотностью. Их можно также объяснить изменениями условий на поверхности океана в том районе, где происходило формирование водной массы, и вода может опускаться не вертикально, а вдоль некоторых наклонных поверхностей равных плотностей. Поскольку q1 является функцией только температуры и солености, на T-S диаграмме можно провести линии равных значений q1,. Представление об устойчивости водной толщи можно получить, сравнивая график T-S с простиранием изолиний q1.

2.1 Консервативные и неконсервативные свойства

Сформировавшись, водная масса, как и масса воздушная, начинает двигаться из очага формирования, подвергаясь по пути трансформации. Если она останется в приповерхностном перемешанном слое или уйдет из него, а затем возвратится вновь, дальнейшее взаимодействие с атмосферой вызовет изменения температуры и солености воды. Новая водная масса может возникнуть в результате перемешивания с другой водной массой, и ее свойства будут промежуточными между свойствами двух первоначальных водных масс. С того момента, как водная масса перестает подвергаться трансформации под воздействием атмосферы, ее температура и соленость могут изменяться только в результате процесса перемешивания. Поэтому такие свойства называются консервативными.

Водная масса обычно имеет определенные химические характеристики, присущую ей биоту, а также типичные соотношения температуры и солености (T-S соотношения). Полезным показателем, характеризующим водную массу, часто бывает величина концентрации растворенного кислорода, а также концентрация биогенных веществ - силикатов и фосфатов. Морские организмы, присущие определенной водной массе, называются видами-индикаторами. Они могут оставаться в пределах данной водной массы, поскольку ее физические и химические свойства удовлетворяют их или же просто потому, что они, являясь планктоном, переносятся вместе с водной массой из района ее формирования. Эти свойства, однако, изменяются в результате химических и биологических процессов, протекающих в океане, и поэтому называются неконсервативными свойствами.

2.2 Примеры водных масс

Достаточно наглядным примером могут служить водные массы, которые формируются в полузамкнутых водоемах. Та водная масса, которая образуется в Балтийском море, обладает низкой соленостью, что вызвано значительным превышением речного стока и количества выпадающих осадков над испарением. Летом эта водная масса достаточно нагревается и поэтому обладает очень низкой плотностью. Из своего очага формирования она вытекает через узкие проливы между Швецией и Данией, где происходит ее интенсивное перемешивание с нижележащими водными слоями, поступающими в проливы со стороны океана. Перед перемешиванием ее температура летом близка к 16°С, а соленость составляет менее 8%₀. Но к тому времени, когда она достигает пролива Скагеррак, ее соленость в результате перемешивания повышается до величины порядка 20%_о. В силу низкой плотности она остается на поверхности и быстро трансформируется в результате взаимодействия с атмосферой. Поэтому эта водная масса не оказывает заметного влияния на районы открытого океана.

В Средиземном море испарение превосходит приток пресной воды, поступающей в виде осадков и речного стока, и поэтому соленость там увеличивается. В северо-западной части Средиземного моря зимнее охлаждение (связанное в основном с ветрами, называющимися мистраль) может привести к конвекции, которая охватывает всю водную толщу до глубин более 2000 м, в результате чего формируется чрезвычайно однородная водная масса с соленостью более 38,4% и температурой около 12,8°С. При выходе этой водной массы из Средиземного моря через Гибралтарский пролив она подвергается интенсивному перемешиванию, и наименее перемешанный слой, или ядро, средиземноморской воды в прилегающей части Атлантики имеет соленость 36,5%₀ и температуру 11 °С. Этот слой обладает высокой плотностью и поэтому погружается до глубин порядка 1000 м. На этом уровне он распространяется, подвергаясь непрерывному перемешиванию, но его ядро все же можно распознать среди других водных масс большей части Атлантического океана.

В открытом океане Центральные водные массы образуются на широтах примерно от 25° до 40°, а затем погружаются вдоль наклонных изопикн и занимают верхнюю часть главного термоклина. В Северной Атлантике такая водная масса характеризуется T-S кривой с исходным значением 19°С и 36,7% и конечным значением 8°С и 35,1%. В более высоких широтах формируются промежуточные водные массы, которые характеризуются низкой соленостью, а также низкой температурой. Наиболее широко распространена Антарктическая промежуточная водная масса. Она имеет температуру от 2° до 7°С и соленость от 34,1 до 34,6%₀ и после погружения примерно на 50° ю. ш. до глубин 800-1000 м распространяется в северном направлении. Наиболее глубокие водные массы формируются в высоких широтах, где вода зимой охлаждается до очень низких температур, часто до точки замерзания, так что соленость определяется процессом замерзания. Антарктическая придонная водная масса обладает температурой - 0,4°С и соленостью 34,66%₀ и распространяется в северном направлении на глубинах более 3000 м. Северо-Атлантическая глубинная придонная водная масса, которая образуется в Норвежском и Гренландском морях и при перетекании через Шотландско-Гренландский порог испытывает заметную трансформацию, распространяется к югу и перекрывает Антарктическую придонную водную массу в экваториальной и южной частях Атлантического океана.

Концепция водных масс сыграла большую роль при описании процессов циркуляции в океанах. Течения в глубинах океанов одновременно и очень медленны, и очень переменчивы, чтобы их можно было изучать с помощью непосредственного наблюдения. Но T-S анализ помогает выделить ядра водных масс и определить направления их распространения. Однако чтобы установить скорость, с которой они перемещаются, необходимы другие данные, такие, как скорость перемешивания и скорость изменения неконсервативных свойств. Но их обычно получить не удается.

2.3 Ламинарное и турбулентное течения

Движения в атмосфере и в океане можно классифицировать различными способами. Один из них - разделение движения на ламинарное и турбулентное. При ламинарном течение частицы жидкости двигаются упорядоченно, линии тока параллельны. Турбулентное течение хаотично, и траектории отдельных частиц пересекаются. В однородной по плотности жидкости переход от ламинарного режима к турбулентному происходит, когда скорость достигает некоторой критической величины, пропорциональной вязкости и обратно пропорциональной плотности и расстоянию до границы течения. В океане и атмосфере течения в большинстве случаев турбулентные. При этом эффективная вязкость, или турбулентное трение, в таких течениях обычно на несколько порядков больше молекулярной вязкости и зависит от природы турбулентности и ее интенсивности. В природе наблюдаются два случая ламинарного режима. Один-это течение в очень тонком слое, прилегающем к гладкой границе, другой - движение в слоях значительной вертикальной устойчивости (какими являются, например, слой инверсии в атмосфере и термоклин в океане), где флуктуации вертикальной скорости малы. Вертикальный сдвиг скорости в таких случаях намного больше, чем в турбулентных течениях.

2.4 Масштабы движения

Еще один способ классификации движений в атмосфере и океане основан на их разделении по пространственным и временным масштабам, а также на выделении периодических и непериодических составляющих движения.

Наибольшим пространственно-временным масштабам отвечают такие стационарные системы, как пассаты в атмосфере или Гольфстрим в океане. Хотя движение в них и испытывает флуктуации, эти системы можно рассматривать как более или менее постоянные элементы циркуляции, имеющие пространственный масштаб порядка нескольких тысяч километров.

Следующее место занимают процессы с сезонной цикличностью. Среди них следует особо отметить муссоны и обусловленные ими - и тоже меняющие свое направление - течения Индийского океана. Пространственный масштаб этих процессов также порядка нескольких тысяч километров, однако их отличает выраженная периодичность.

Процессы с временным масштабом в несколько дней или недель, как правило, нерегулярны и имеют пространственные масштабы до тысячи километров. К ним относятся вариации ветра, связанные с переносом различных воздушных масс и вызывающие изменения погоды в таких районах, как Британские острова, а также аналогичные и часто связанные с первыми колебания океанских течений.

Рассматривая движения с временным масштабом от нескольких часов до одного-двух дней, мы встречаемся с большим разнообразием процессов, среди которых имеются и явно периодические. Это может быть суточная периодичность, связанная с суточным ходом солнечной радиации (она характерна, например, для бриза - ветра, дующего днем с моря на сушу, а ночью с суши на море); это может быть суточная и полусуточная периодичность, характерная для приливов; это может быть периодичность, связанная с перемещением циклонов и другими атмосферными возмущениями. Пространственный масштаб этого типа движений от 50 км (для бризов) до 2000 км (для барических депрессий на средних широтах).

Временным масштабам, измеряемым секундами, реже минутами, соответствуют регулярные движения - волны. Наиболее распространены ветровые волны на поверхности океана, имеющие пространственный масштаб около 100 м. В океане и в атмосфере встречаются и более длинные волны, как, например, подветренные волны. Нерегулярные движения с такими временными масштабами отвечают турбулентным флуктуациям, проявляющимся, например, в виде порывов ветра.

Движение, наблюдаемое в каком-то районе океана или атмосферы, может быть охарактеризовано векторной суммой скоростей, каждая из которых отвечает определенному масштабу движения. Например, измеренная в какой-то момент времени скорость может быть представлена в виде где и обозначает турбулентные пульсации скорости.

Для характеристики движения можно использовать описание сил, участвующих в его создании. Этот подход в сочетании с методом разделения по масштабам будет использован в последующих главах при описании различных форм движения. Здесь же удобно рассмотреть различные силы, действие которых может вызвать горизонтальные движения в океане и атмосфере или повлиять на них.

Силы можно разделить на три категории: внешние, внутренние и вторичные. Источники внешних сил лежат вне жидкой среды. В эту категорию попадает гравитационное притяжение Солнца и Луны, вызывающее приливные движения, а также сила трения ветра. Внутренние силы связаны с распределением массы или плотности в жидкой среде. Неравномерное распределение плотности обусловлено неравномерным нагревом океана и атмосферы, и порождает горизонтальные градиенты давления внутри жидкой среды. Под вторичными мы понимаем силы, действующие на жидкость только тогда, когда она пребывает в состоянии движения относительно земной поверхности. Наиболее очевидной является сила трения, всегда направленная против движения. Если различные слои жидкости движутся с разными скоростями, трение между этими слоями, обусловленное вязкостью, приводит к замедлению более быстро движущихся слоев и ускорению менее быстро движущихся слоев. Если течение направлено вдоль поверхности, то в слое, примыкающем к границе, сила трения прямо противоположна направлению потока. Несмотря на то что трение играет обычно незначительную роль в атмосферных и океанских движениях, оно привело бы к затуханию этих движений, если бы их не поддерживали внешние силы. Таким образом, движение не могло бы оставаться равномерным, если бы другие силы отсутствовали. Две другие вторичные силы - это фиктивные силы. Они связаны с выбором системы координат, относительно которой рассматривается движение. Это сила Кориолиса (о которой мы уже говорили) и центробежная сила, появляющаяся при движении тела по окружности.

2.5 Центробежная сила

Тело, двигающееся с постоянной скоростью по окружности, все время изменяет направление своего движения и, следовательно, испытывает ускорение. Это ускорение направлено к мгновенному центру кривизны траектории и называется центростремительным ускорением. Следовательно, чтобы оставаться на окружности, тело должно испытывать действие некоторой силы, направленной к центру окружности. Как показано в элементарных учебниках по динамике, величина этой силы равна mu²/r, или mw²r, где r - масса тела, m-скорость движения тела по окружности, r-радиус окружности, а w - угловая скорость вращения тела (обычно измеряемая в радианах в секунду). Например, для пассажира, едущего в поезде по криволинейной траектории, движение кажется равномерным. Он видит, что перемещается относительно поверхности с постоянной скоростью. Однако пассажир ощущает действие некоторой силы, направленной от центра окружности, - центробежной силы, и он противодействует этой силе, наклоняясь к центру окружности. Тогда центростремительная сила оказывается равной горизонтальной составляющей реакции опоры-сиденья или пола поезда. Другими словами, для сохранения своего кажущегося состояния равномерного движения пассажиру необходимо, чтобы центростремительная сила была равна по величине и противоположна по направлению центробежной силе.

Литература

1. Будыко М.И. Глобальная экология. - М., 1987

2. Дювиньо П. Танг М. Биосфера и место в ней человека. М, 1998

3. Исаченко А.Г. География сегодня. - М., 1999

4. Одум Ю. Основы экологии. - М., 1995

5. Рябчиков А.М. Структура и динамика геосферы. - М., 1972